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轴承钢

轴承钢

第一章滚动轴承用钢GCr15钢的热处理原理

一、滚动轴承用钢应具有的特性

1、高的接触疲劳强度；

2、高的耐磨性；（发生滑动摩擦的主要部位）

1）、滚动体与滚道的接触面；

2）、滚动体与保持架兜孔的接触面；

3）、保持架引导与套圈引导档边的接触面；

4）滚子的端面与套圈档边的接触面。

3、高的弹性极限；

4、高的硬度；

5、一定的韧性；

6、好的尺寸稳定性；

7、一定的防锈功能；

8、良好的工艺性能。

二、GCr15钢的物理性能

1、GCr15钢的临界点：

Ac1:

760℃  Acm：

900℃Ar3：

707℃  Ar1：

695

2、GCr15钢的Ms点：

Ms点随着奥氏体固溶度的变化而变化，亦即随着奥氏体温度的升高而降低，GCr15钢在860℃温度Ms点为216~225℃。

三、铬轴承钢热处理基础

1、基本概念

1）、奥氏体：

是碳及合金元素溶于r-Fe八面体间隙的间隙式固溶体。

特征：

[1]、在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小；

[2]、奥氏体的塑性高，屈服强度低，容易塑性变形加工成型。

2）、珠光体：

是过冷奥氏体共析分解的铁素体和碳化物的整合组织

片状珠光体：

是指在光学显微镜下能够明显看出F与Fe3C呈片状分布的组织状态。

根据片间距的大小分为普通片状珠光体、索氏体、屈氏体。

粒状珠光体：

铁素体基体上分布着粒状Fe3C的组织。

GCr15的正常锻造后组织应为细珠光体类型组织及细小的网状碳化物组成，不允许有＞3级的网状碳化物及明显线条状组织，不允许有粗针状马氏体和粗片状珠光体组织。

3）、马氏体：

是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

马氏体分类：

板条马氏体、片状马氏体、针状马氏体、隐晶马氏体。

GCr15钢淬火后得到的马氏体为隐晶马氏体或者细小结晶马氏体。

马氏体具有高的硬度、强度、耐磨性。

4）贝氏体：

是过冷奥氏体在中温区域分解后所得的产物，它一般是由铁素体和碳化物所组成的非层状组织。

贝氏体分类：

上贝氏体、下贝氏体

上贝氏体：

是一种两相组织，有铁素体和Fe3C所组成的，大致平行的铁素体板条自奥氏体晶界的一侧或两侧向奥氏体晶粒内部长大，Fe3C分布于铁素体板条之间。

从整体上看呈现为羽毛状，所以上贝氏体又成为羽毛状贝氏体。

上贝氏体与珠光体的区别：

[1]、片状珠光体中铁素体呈片状，而上贝氏体中铁素体呈条状或针状；

[2]、片状珠光体中铁素体是平衡的，而上贝氏体中铁素体是过饱和的。

下贝氏体：

也是一种两相组织，有铁素体和Fe3C所组成的。

下贝氏体形成晶核的部位大多是在奥氏体晶界上，但与上贝氏体不同，也有相当数量是在奥氏体晶粒内部。

下贝氏体的立体形态呈透镜状，在显微镜下呈针状。

下贝氏体的碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以55~60°的角度与下贝氏体的长轴相交，并且仅分布在铁素体内部。

2、Fe-C合金相图中GCr15钢淬火后在回火时的组织转变和内应力变化：

1）、马氏体析出碳化物和碳化物的聚集长大

马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是亚稳定相，过饱和的碳原子有从固溶体中自发析出的趋势，低温回火就是不断地从马氏体内析出与马氏体共格的ε-碳化物。

低温回火析出的ε-碳化物是极薄的层，在普通金相显微镜下是看不到的。

其析出的结果使马氏体的抗腐蚀能力大大降低，所以试样经侵蚀后，在显微镜下颜色发暗，回火温度越高，这种特点越明显。

回火温度升高到300~320℃，由于碳的扩散能力提高，合金元素也稍可以进行扩散，析出的碳化物就变为合金Fe3C型的碳化物（Fe、Mn）3C。

这时，碳化物与马氏体间的共格关系也破坏了。

高于350~400℃，碳化物就发生聚集长大。

随温度的连续升高，碳化物片逐渐长大，并转变为球状。

同时马氏体含碳量降低，趋向于平衡状态铁素体的成分。

晶格四方度c/a值趋向于1，渐变为体心立方晶格。

2）、残余奥氏体分解

奥氏体是高温稳定相，在室温是不稳定，有自发析出碳化物，转变为α-固溶体的趋势，马氏体的分解使钢的体积收缩，而残余奥氏体的分解使钢的体积胀大。

通常说的残余奥氏体开始分解温度是指能够明显看出因参与奥氏体分解而引起体积变化的转折点，GCr15为180℃，GCr15SiMn钢为200℃左右。

但事实上，GCr15钢在150℃，残余奥氏体已有明显分解。

高碳铬轴承钢中的残余奥氏体在250~270℃基本可以完全分解。

3）、内应力的变化

钢的淬火应力主要包括热应力和组织应力两种。

由于急冷过程中，工件各部位冷却先后不一，各部位温度不同，体积涨缩量不同而相互牵制，发生弹性畸变引起的应力，即热应力。

由于淬火时组织转变生成物的线膨胀系数不同，比容不同，而相互牵制发生弹性畸变引起的应力，即组织应力。

在回火过程中随着温度升高，屈服极限和蠕变极限大大下降，弹性变形逐步变为塑性变形，组织也向平衡状态发展，淬火引起的各组织的比容差缩小，因而会发生弹性松弛，使淬火应力减小乃至消除。

150℃以下回火，应力只能消除很小一部分，而300~430℃之间回火应力消除最剧烈。

在更高温度。

随着再结晶的充分进行，淬火应力将逐步完全消除。

4）、回火各阶段组织应力的变化趋势

按组织和应力各温度区间的转变情况，轴承钢回火通常可分为四个阶段：

[1]、马氏体迅速分解：

80~200℃左右；

[2]、残余奥氏体大量分解阶段：

200~260℃左右；

[3]、淬火应力激烈消除阶段：

320~430℃左右；

[4]、碳化物颗粒明显长大阶段：

＞400℃。

第二章：

高碳铬轴承钢标准的演变与高低倍组织的评定

一、高低倍组织的说明与评级准则

1、低倍组织

低倍组织是指一般疏松、中心疏松和偏析。

这些缺陷是由于钢锭内的树枝状晶内和晶间偏析引起的化学成分不均匀而造成的。

1）试样的制作过程

试样经车削加工后，按相关规定的条件：

50%的盐酸水溶液，酸浸温度为65~80℃，酸浸时间以准确显示钢的低倍组织和缺陷为准。

2）评级原则

中心疏松的评级：

主要依据试样中心部位的缺陷大小，数量，聚集程度以及占据的面积。

（模铸1级，连铸1.5级合格）

一般疏松的评级：

主要根据试样面上的缺陷的大小、数量、所占面积和树枝状晶的粗细程度。

偏析的评级：

主要根据试样面上偏析带的组织疏松程度及偏析带的密度。

3）、注意事项

在进行低倍组织检验时，经酸浸的试样表面上应无缩孔、裂缝、皮下气泡、过烧、白点及有害夹杂物。

除标准中规定的缺陷外，酸浸低倍试样上还不得有翻皮、内裂、异金属等公认的有害缺陷。

2、非金属夹杂物

1）、分类

[1]、脆性夹杂物：

氧化物、脆性硅酸盐及氮化钛类型夹杂；

[2]、塑性夹杂物：

硫化物及塑性硅酸盐；

[3]、球状不变形夹杂物：

球状及大块的不规则形状的及夹杂物。

2）、评定原则

[1]、脆性夹杂物的评级原则

①、氧化物、脆性硅酸盐以及氮化钛类型均按脆性夹杂物评定；

②、脆性夹杂物自0.5级起评，即一发现此类夹杂物时评0.5级；

③、在评定串链状分布的脆性夹杂物时，除要有夹杂物的面积概念外，并须适当参考集中程度和颗粒大小。

若夹杂物较集中或颗粒较大，则应适当地提高级别；如夹杂物的串链数虽多，但串链较短，颗粒较小，且分布分散，则应适当的降低级别，其幅度一般可以±0.5级为限。

[2]、塑性夹杂物的评定原则：

①、下列夹杂物按塑性夹杂物评定

A、硫化物；

B、在热加工时发生塑性变形的硅酸盐，即塑性硅酸盐；

C、被硫化物及塑性硅酸盐包在整个里面的复合夹杂物。

②、塑性夹杂物自0.5级起评，即一发现有硫化物或塑性硅酸盐时即评0.5级。

若整个试样检验面上未发现此类夹杂物则评为0级。

③、评级时主要依据为夹杂物的大小和数量，但亦需参考夹杂物的分布形态，若夹杂物大而集中，则应适当的提高级别，如夹杂物的数量虽多，但小而分散，则应适当的降低级别，其幅度一般可在±0.5级为限。

[3]、GB/T18254中夹杂物评定结果的判定规则：

①、一个试样不合格系指四类八系列的夹杂物之八个最恶劣视场的级别，凡出现1个或1个以上的级别不超过规定，即判该试样未不合格。

②、某炉钢非金属夹杂物必须同时满足以下三个条件才能判不合格：

第一、被检验的六个试样至少三分之二合格，不合格的试样最多为两个，不能超过2个试样不合格；

第二、对被检验的同一支钢锭的头、尾两个试样，不能同时都不合格；

第三、六个试样上的各类、各系夹杂物的平均值不应超标准的规定级别。

③、如何区分硫化物与塑性硅酸盐

A、在明视场下，硫化物比塑性硅酸盐颜色浅些，前者呈灰色，后者呈暗灰色；

B、一般硫化物比较细小；塑性硅酸盐比较粗些；

C、二者的显微硬度不同，一般硫化物HV≈180~260；而塑性硅酸盐HV=600~800。

3、球化组织

1）、球化组织的评定条件

[1]、放大倍率：

500倍；

[2]、腐蚀剂：

2%硝酸酒精；

[3]、级别：

1级为欠热，6级为过热。

YB9-59规定2~5级为合格；YB9-68规定1~4级为合格；GB/T19254规定为2~4级为合格。

2）、评定原则

[1]、球化组织主要根据碳化物球化程度及碳化物的形状、大小和分布状况评定；

[2]、出现球化不良的索氏体及碳化物密集成堆时，应判为不合格；

[3]、当出现两级之间的情况时，往上或往下选拔评级。

4、碳化物网状组织

1）、碳化物网状评定条件

[1]、放大倍率均在500倍下进行；

[2]、试样的检验面均是横向断面，也可在纵向断面上进行，当发生质量异议时，仍以横断面检验的级别为准；

[3]、采用4%硝酸酒精溶液深腐蚀，以清晰显示碳化物网络的形貌为止，一般应在试样的中心部位观察，以严重的视场进行级别的评定。

2）、碳化物网状的评定原则

[1]、YB9-59和YB9-68

A、根据碳化物网络的封闭程度进行评定；

B、根据碳化物的网络大小以及碳化物网的粗强程度；

C、对具有三叉状的碳化物应严加控制。

[2]、GB/T18254

评级时，主要考虑碳化物网络的封闭程度。

5、碳化物带状组织

1）、碳化物带状的评定条件

[1]、腐蚀剂与腐蚀程度：

用4%硝酸酒精进行深腐蚀，以清晰显示碳化物颗粒带为止，而隐没浓度差以及基体的显微组织形貌；

[2]、放大倍率：

100倍、500倍。

2）、评定原则

[1]、在100倍下，主要观察碳化物颗粒带的条数、宽窄、碳化物颗粒的聚集程度；在500倍下，主要观察碳化物颗粒的大小、形状、聚集情况，两方面结合评定；

[2]、考虑碳化物颗粒条带数量；

[3]、按碳化物颗粒的聚集程度评定；

[4]、根据碳化物颗粒的大小、形状评定。

6、碳化物液析

碳化物液析在轧材上是以粗大碳化物大块聚集的形状存在，并沿轧制方向呈短条状分布，以及成破碎的链状分布。

1）、评定原则

碳化物液析评级主要根据碳化物条状的数量、分布状态、条块的大小来评定。

2）、条块碳化物液析的形成

条状碳化物液析多出现于钢的变形较小，高温轧制的钢坯和大尺寸的钢材中，而链状碳化物液析多出现于金属变形量大，低温轧制的大、中、小尺寸的钢材。

第三章高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件

一、球化退火

1、球化退火过程中的组织转变

退火前的原始组织为热轧热锻或者正火组织，是片状碳化物与铁素体相间的珠光体。

将其加热至Ac1~Ac3之间并保温时，体心立方的铁素体转变为面心立方的奥氏体，部分片状碳化物溶解入奥氏体中，剩余的碳化物也逐渐由片状向粒状或球状转化。

加热温度越高，保温时间越长，则碳化物将全部溶入奥氏体中。

在随后的冷却过程中，如冷却速度足够缓慢或冷至790~810℃（GCr15）（770~800GCr15SiMn）进行等温，则溶入的碳化物将以粒状在未溶碳化物或新位置析出，同时奥氏体转变为铁素体基体上分布着粒状碳化物和粒状珠光体，为球化退火的正常的组织。

冷速越大，析出的碳化物越细小，过缓的冷却速度产生粗大碳化物。

但冷却速度过快，且加热温度过高，保温时间不长，则溶入的碳化物将部分或全部以片状的形态析出，成为全部或含有部分片状碳化物分布于铁素体基体的混合珠光体。

2、退火组织的评级原则

理想的退火组织是铁素体基体上均匀分布着细小的球化或粒状碳化物。

因此，此类组织的评级由以下三个准则：

1）、碳化物的颗粒大小；2）、碳化物的分布均匀性；3）、碳化物的球化程度或形态。

说明：

1）、细小的粒状或点状珠光体有利于淬火后获得含量均匀分布的马氏体。

单碳化物过细往往伴随着高的硬度，不利于随后的切削加工，且淬火加热工艺要求严格；碳化物颗粒过粗，硬度过低，同样不利于切削加工，且由于碳化物间距增大，使随后的淬火组织碳浓度分布不均匀，影响使用性能。

2）、碳化物分布的均匀性直接影响淬火后能否得到均匀的马氏体，碳化物分布过度不均，除退火硬度不均匀而影响切削性能外，还是淬后马氏体的含量及尺寸不均，甚至产生局部过热组织。

3、组织特征

1级：

细点状+细粒状珠光体+局部细片状珠光体

组织特征：

碳化物颗粒细小呈点状和细粒状，分布弥散，局部有细片状。

为不合格组织，形成原因是加热不足，部分锻造组织被保留下来。

2级：

点状珠光体+细粒状珠光体

组织特征：

碳化物颗粒细小呈点状和细点状，圆度好，分布较均匀。

为优良的合格组织。

3级：

球状珠光体

组织特征：

碳化物颗粒大于2级，球化完全，分布较均匀，为良好的合格组织

4级：

球状珠光体

组织特征：

碳化物颗粒较粗，均匀性较差，碳化物分布不均，有的区域密集，有的区域稀少，为合格组织。

GCr15，ZGCr15钢的硬度应在HB179~207范围内，GCr15SiMn，ZGCr15SiMn钢硬度应在HB179~217范围内。

5级：

不均匀球状珠光体

组织特征：

碳化物颗粒大小不均，圆度差，有角状和条状碳化物，碳化物分布不均，有的区域密集，有的区域稀少，为不合格组织。

该组织的形成，除原始组织粗大不均匀外，还与加热温度过高，冷却速度过缓或重复多次退货有关。

6级：

不均匀的粗粒状珠光体+片状珠光体

组织特征：

碳化物颗粒大小不均，部分区域出现明显片状珠光体，分布均匀弥散。

硬度偏高，约为HB217~229，但车削性能好。

该组织是采用特殊热处理工艺和特殊成型方法时得到。

二、淬火和回火

1、淬火工艺过程中的组织转变

把具有球化退火组织的工件加热到Ac1~Ac3之间进行保温时，铁素体基体转变成为奥氏体，粒状碳化物溶入奥氏体中并在奥氏体中扩散均匀化，同时奥氏体晶粒也不断长大，在随后的冷却过程中，如以足够快的冷却速度冷至Ms以下，奥氏体转变为马氏体，溶入奥氏体中的碳原子保留在马氏体中，随着工件温度的降低，越来越多的奥氏体转变为马氏体。

若在马氏体转变终止温度Mf以上某个温度保留冷却，未转变的奥氏体被保留下来成为残余奥氏体。

加热过程中未溶入奥氏体的碳化物在冷却过程中不发生转变，成为残留碳化物。

最终组织为：

马氏体+残余奥氏体+碳化物。

如在Ms以上冷却速度不是足够快，则在冷却过程中，部分奥氏体首先转变为珠光体型组织或贝氏体型组织，剩余的奥氏体在继续冷却过程中转变为马氏体，最终组织为：

马氏体+珠光体（贝氏体）+碳化物+残余奥氏体。

2、回火过程中的组织转变

1）、回火的第一阶段

过饱和的碳原子向一定晶面偏聚，形成薄片状偏聚区。

这些偏聚区的碳含量高于马氏体中的平均碳含量。

随着回火温度的提高，ε型碳化物沿马氏体的惯析面析出，ε型碳化物是由几十埃的小粒子组成约1000埃左右的条状薄片。

2）、回火的第二阶段

残余奥氏体发生分解，此时残余奥奥氏体转变为过饱和的α固溶体和碳化物组成的混合体，其产物类似于下贝氏体和回火马氏体。

GCr15钢在正常的淬火工艺下所获得的残余奥氏体，当回火温度达到250℃左右并保持一定时间，就将分解完毕。

3）、回火的第三阶段

碳化物将聚集长大，并向Fe3C型碳化物转变，在碳原子偏聚区形成Fe3C。

3、淬火工艺参数对组织形态的影响

随淬火温度升高，残留碳化物变少，变小；晶粒变粗，残余奥氏体增多。

淬火的马氏体可按马氏体粗细分为隐晶，细小结晶和针状马氏体。

淬火温度越高，马氏体越粗，其形态逐渐由隐晶马氏体向细小结晶，针状马氏体过渡，直到最后全部成为粗大的针状马氏体。

在金相组织中往往见到一些黑区和白区，这主要是由于原材料中的粒状碳化物分布不均匀所造成的。

黑区往往是残留碳化物较集中，白区则残留碳化物较稀少。

4、组织的评级原则:

1）、按马氏体粗细程度和残余奥氏体数量；

2）、按残留碳化物数量多少和颗粒大小；

3）、按屈氏体组织的形态，大小和数量。

5、组织特征：

1）淬回火马氏体组织

1级：

隐晶马氏体+较多的残留碳化物+少量残余奥氏体

组织特征：

基体组织细小而均匀，残留碳化物多而颗粒较粗，残余奥氏体在光学显微镜下看不到，轻腐蚀后有时会出现小块做屈氏体。

2级：

隐晶马氏体+细小结晶马氏体+适量的残留碳化物+残余奥氏体

组织特征：

以隐晶马氏体为主，残留碳化物沿晶界不断溶解，并出现布纹状的细小结晶马氏体，白色区增多，残余奥氏体显示不明显。

3级：

细小结晶马氏体+隐晶马氏体+少量细小针状马氏体+较少量残留碳化物+残余奥氏体

组织特征：

基体组织黑白差明显，白色区组织为布纹状且局部出现小针状马氏体，但针状马氏体500倍光学显微镜下显示不清晰。

残留碳化物少于2级。

4级：

细小结晶马氏体+隐晶马氏体+局部小针状马氏体+较少量残留碳化物+较多残余奥氏体

组织特征：

基体组织较粗，黑白差大，白色区出现细小针状马氏体，细小针间出现残余奥氏体墙，残留碳化物减少，颗粒细，局部区域残留碳化物已经全部溶解。

5级：

细小结晶马氏体+少量隐晶马氏体+局部小针状马氏体+少量残留碳化物+较多残余奥氏体

组织特征：

基体组织较粗，黑白差大，白区增多，局部区域有明显的细小针状马氏体，细小针状马氏体间有残余奥氏体显示。

残留碳化物颗粒更细或碳化物颗粒大小和分布均匀性很差，局部区域碳化物已全部溶解。

2）、淬回火屈氏体组织

1级：

隐晶马氏体+少量块状和针状屈氏体+较多的残留碳化物+较多残余奥氏体

组织特征：

马氏体基体组织细，残留碳化物多，经轻腐蚀屈氏体呈黑色（含量约占2%），屈氏体中常伴有较粗的碳化物颗粒或者夹杂物。

淬回火后硬度≥61HRC。

2级：

隐晶马氏体+细小结晶马氏体+网状或小块状屈氏体+较多残留碳化物+残余奥氏体

组织特征：

马氏体基体组织细，屈氏体沿晶界呈网状析出或呈小块状，总含量＜5%。

残留碳化物多，分布较均匀，硬度合格。

3级：

隐晶马氏体+较大团块状屈氏体+很多残留碳化物+少量残余奥氏体

组织特征：

屈氏体呈块状，含量约为9.9%，屈氏体块中常伴有较粗的碳化物颗粒。

该组织硬度偏低，或硬度合格但出现软点。

4级：

隐晶马氏体+针状或小块状屈氏体+残留碳化物+残余奥氏体

组织特征：

屈氏体呈针状或小块状，经轻腐蚀呈黑色或浅黑色，分布较均匀，含量约为7.1%，残留碳化物量适宜，硬度正常。

5级：

隐晶马氏体+块状或针状屈氏体+残留碳化物+残余奥氏体

组织特征：

基体组织中有小块状和针状屈氏体并出现大块状屈氏体，分布不均匀，大块状屈氏体中常伴有粗颗粒碳化物，屈氏体总含量约为5.8%，该种组织硬度偏低，均匀性差。

三、网状碳化物

1、网状碳化物的形成及影响

锻造或热轧后缓冷或退货工艺不当，则产生沿原奥氏体晶界析出的粗大网状碳化物。

在随后的淬回火后，网状被保留下来，网状碳化物的出现，对基体起分割作用，且造成成分不均匀，严重降低淬回火后机械性能。

2、评级原则

1）、碳化物网状的粗细；

2）、按碳化物网的封闭程度；

3）、按碳化物网的网格大小。

3、组织特征

1级：

碳化物呈细点链状未形成网络。

2级：

点链状碳化物增多，条状碳化物稍粗，局部碳化物形成断续大晶格网格，不封闭。

3级：

碳化物条状更粗，形成大晶格网格，碳化物点链多，并出现三叉状碳化物。

4级：

碳化物网的封闭程度和粗细介于2级和3级之间，但未出现三叉状碳化物。

四、贝氏体等温淬火

1、淬火组织及其影响因素

贝氏体等温淬火或分级淬火后组织应由下贝氏体或马氏体+贝氏体混合组织+残留碳化物+残余奥氏体所组成。

影响贝氏体组织性能的因素主要取决于下贝氏体的含量和粗细。

2、评级原则

1）、按贝氏体的粗细、分布和含量；

2）、按残留碳化物的多少；

3）、按屈氏体的形状、大小和数量。

3、组织特征

1级：

细针状下贝氏体+隐晶马氏体+较多的残留碳化物+残余奥氏体

组织特征：

下贝氏体呈黑色针状，呈大部分无规则交叉分布，局部区域呈束状分布，白色区为隐晶马氏体，残留碳化物较多且细小而均匀。

上述组织是在原始组织细而均匀，加热温度为下限，等温温度适宜，等温时间短的情况下形成。

2级：

粗针状下贝氏体+隐晶、细小结晶马氏体+细小针状马氏体+较少的残留碳化物+残余奥氏体

组织特征：

下贝氏体呈粗长的黑针，无规则交叉分布，灰色区为细小结晶和细小针状马氏体，残留碳化物较少且分布均匀。

3级：

下贝氏体+较少的残留碳化物+极少的残余奥氏体（＜3%）

组织特征：

基体组织为黑色，基体上分布有不规则分布的白色草叶状细针，残留碳化物较少。

上述组织在加热温度偏高，等温温度适宜，等温时间长的情况下形成。

淬火后硬度＞58HRC。

4、贝氏体等温淬火或分级淬火后不合格组织有：

1）、粗大的下贝氏体组织。

加热温度过高造成；

2）、少量的下贝氏体+马氏体。

加热温度高，等温时间短造成；

3）、组织中屈氏体组织超过1、2级。

加热温度低，等温温度高，冷却不良造成；

4）、上贝氏体组织。

等温温度高，冷却不良造成。